Le sillage d'avion est composé de plusieurs tourbillons énergétiques dont la durée de vie peut atteindre plusieurs minutes. Ils peuvent représenter un danger pour un avion suiveur en raison d'un fort moment de roulis induit. Le travail présenté ici contribue à la connaissance du comportement de ces tourbillons à l'aide de simulations numériques directes et aux grandes échelles. Différents aspects de la dynamique des tourbillons ont été étudiés. Le premier concerne la propagation et la collision de fronts d'onde le long d'un tourbillon. Ces fronts peuvent être générés lors de la reconnexion des tourbillons contrarotatifs dans le champ lointain du sillage (instabilité de grande longueur d'onde). Les caractéristiques de la propagation et de ses conséquences ont été mises en évidence, ainsi qu'un critère objectif d'apparition du phénomène d'explosion tourbillonnaire (contribue fortement à la dissipation du sillage). Par le biais de simulations temporelles, une étude paramétrique a ensuite été menée pour caractériser et quantifier l'interaction entre un tourbillon et un jet de moteur. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement de jet a pour effet de diminuer le pic de vitesse des tourbillons en condition de croisière. En conditions hypersustentées, le jet peut être suffisamment puissant pour mener à la déstructuration du tourbillon. Le dernier phénomène étudié est la fusion des tourbillons corotatifs émis en bout d'aile et de volet. L'approche temporelle a permis d'étudier ce processus dans des conditions stables et instables sans vitesse axiale, pour deux modèles de tourbillons. Des conditions limites adaptées ont par la suite été implantées dans le but d'effectuer des simulations spatiales de ce processus de fusion. Ce type de simulation permet en outre de prendre en compte la torsion du système tourbillonnaire et l'influence d'une vitesse axiale. Deux configurations d'écoulements ont été simulées et ont permis de montrer la complexité des mécanismes instationnaires existants. Cette thèse a été réalisée au CERFACS dans le cadre du projet européen FAR-Wake.

La présente thèse décrit l'application de la sismologie aux astéroïdes à travers deux objectifs principaux : évaluer le comportement d'un astéroïde suite à une excitation sismique et proposer des hypothèses justifiant le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. Cet astéroïde, imagé par la sonde NEAR durant l'année 2000-2001, montre une surface constituée de régolite (roche inconsolidée, broyée par les impacts) et déficitaire en petits cratères de taille inférieure à 200 m environ. Le premier objectif a consisté, après une étude préliminaire sur les modes propres (e.g., Lognonné et Clévédé, 2002) de petits modèles d'astéroïdes sphériques, à simuler les vibrations de modèles 2-D et 3-D de l'astéroïde Eros soumis à une source sismique grâce à la méthode des éléments spectraux. Cette méthode consiste à approximer la solution de l'équation d'onde sur un maillage de l'objet étudié (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999). Les simulations de propagation d'onde effectuées sur les divers modèles de l'astéroïde Eros suggèrent un rôle important de la couche de régolite en tant que guide d'onde à l'origine d'une amplification des signaux sismiques en surface. De même, pour une étude des signaux enregistrés en surface de l'astéroïde, la présence d'une couche de régolite semble occulter l'effet d'une structure interne (tel un réseau de fractures). Le second objectif de la thèse consiste à expliquer le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. La simulation du rebouchage des cratères par recouvrement des débris d'impacts permet d'expliquer une partie du déficit en petits cratères mais pas tout (Blitz et al., 2009). Nous avons donc simulé le rebouchage des cratères par les glissements de terrains sur les bords des cratères déclenchés par les vibrations résultant des impacts (Richardson et al., 2005) à partir de simulations de propagation d'onde effectuées dans un modèle 3-D de l'astéroïde Eros. L'action simultanée de ces deux moyens d'érosion permet de simuler une population de cratères semblable à celle observée sur Eros pour un temps d'exposition aux impacteurs de la Ceinture Principale d'Astéroïde d'environ 600 Ma.

La transformation d'espace (TE) a été développée par J. B. Pendry et U. Leonhardt en 2006 et suscite un énorme intérêt depuis la démonstration expérimentale de la première cape d'invisibilité en micro-ondes. Cette technique permet de contrôler la propagation des ondes en modifiant les propriétés électromagnétiques de l'espace. Malgré quelques limitations liées à la bande passante ou aux pertes consécutives à l'utilisation de métamatériaux pour les dispositifs TE, cette technique a attiré l'attention de nombreux domaines (optique, microondes, acoustique, etc). L'objectif de cette thèse est de développer des applications de la TE dans le domaine antennaire à l'aide de matériaux conventionnels lorsque cela est possible et aussi d'ouvrir de nouvelles voies dans le contrôle du rayonnement des antennes. Trois applications ont été étudiées: le réflecteur « parabolique plat »; un superstrat tout diélectrique pour contrôler l'ouverture angulaire d'une antenne patch; et finalement un superstrat permettant de modifier drastiquement le rayonnement d'une antenne. Ce travail a été financé par les agences de défense du Royaume Uni et de la France (DSTL et DGA respectivement), dans le cadre du projet MIMiCRA (Metamaterial Inspired Microwave Conformai Radar Antennas). / Transformation Electromagnetics technique was introduced by J. B. Pendry and U. Leonahrdt in 2006 and it has become an emerging research field in physics and engineering in the last few years after the concept was validated experimentally with a invisibility cloak in microwave regime. This technique claims the possibility of an unprecedented technique to control electromagnetic waves interaction with engineered materials to achieve exotic electromagnetic behaviour. Despite some issues about narrow bandwidth or excessive dispersive losses related to the use of metamaterials for realization of TE devices, this technique caught the attention in many research fields (optics microwave, acoustics, etc). The final purpose of this these is to explore and propose applications of Transformation Electromagnetics in the antenna design field by using standard materials with the purpose of controlling the radiation pattern of an antenna. More precisely, three applications were explored : a fiat "parabolic reflector", an all-dielectric superstrate to control the half power beamwidth of a patch antenna and finally a superstrate that allows to control drastically the radiation pattern of a planar antenna This work was funded by France and UK defence agencies (DSTL and DGA respectively), within the framework of MIMiCRA project (Metamateriallnspired Microwave Conformai Radar Antennas).

La prédiction de la stabilité des lits fluidisés (Batchelor,1988) a nécessité l'introduction de nouvelles grandeurs physiques pour décrire les suspensions non-colloïdales, telles la dispersion hydrodynamique et l'élasticité de la suspension. Dans cette thèse, ces grandeurs ont été mesurées pour des suspensions solide/liquide modèles (billes de verre quasi-monodisperses dans des liquides ''proches'' de l'eau) en se plaçant dans des situations expérimentales simplificatrices. Les expériences sont réalisées dans un lit fluidisé (suspension stabilisée par contre-courant), qui permet le contrôle de la concentration par le débit du liquide injecté. La concentration est déterminée par une technique acoustique (mesure de la vitesse du son), avec une précision de l'ordre de 0.1% sur toute la gamme (0

Ce travail est une contribution à la caractérisation mécanique de l'os cortical. Dansce cadre, les méthodes ultrasonores sont des outils puissants pour aider à cette caractérisation.Ainsi, les phénomènes de propagation d'ondes mis en jeu lors des mesurespar les techniques ultrasonores de transmission axiale à la fréquence centrale de 1 MHzsont modélisés. Des méthodes numériques basées sur la méthode des éléments finis sontmises en oeuvre pour résoudre les systèmes d'équations aux dérivées partielles associéesaux conditions aux limites et initiales pour des tissus dont le comportement est supposé(visco-)élastique, anisotrope et/ou hétérogène. L'analyse des résultats de simulation permetde discuter l'influence des divers paramètres, non seulement en termes de propriétésmatérielles mais aussi géométriques, sur la nature des ondes qui se propagent dans lestissus. Nous avons ainsi pu analyse l'impact de ces paramètres sur la vitesse du premiersignal laquelle est considérée comme un indice pertinent pour mesurer la qualité du tissuosseux. Toujours dans le but de caractériser le tissu osseux, et en particulier pour obtenirdes valeurs de propriétés matérielles aussi proches que possible de la réalité, nous avonsdéveloppé une nouvelle méthode basée sur les développements asymptotiques, du typehomogénéisation périodique, pour prédire les modules d'élasticité effective de l'os corticaldu tissu hétérogène.

Ce travail est une contribution à la caractérisation mécanique de l’os cortical. Dansce cadre, les méthodes ultrasonores sont des outils puissants pour aider à cette caractérisation.Ainsi, les phénomènes de propagation d’ondes mis en jeu lors des mesurespar les techniques ultrasonores de transmission axiale à la fréquence centrale de 1 MHzsont modélisés. Des méthodes numériques basées sur la méthode des éléments finis sontmises en oeuvre pour résoudre les systèmes d’équations aux dérivées partielles associéesaux conditions aux limites et initiales pour des tissus dont le comportement est supposé(visco-)élastique, anisotrope et/ou hétérogène. L’analyse des résultats de simulation permetde discuter l’influence des divers paramètres, non seulement en termes de propriétésmatérielles mais aussi géométriques, sur la nature des ondes qui se propagent dans lestissus. Nous avons ainsi pu analyse l’impact de ces paramètres sur la vitesse du premiersignal laquelle est considérée comme un indice pertinent pour mesurer la qualité du tissuosseux. Toujours dans le but de caractériser le tissu osseux, et en particulier pour obtenirdes valeurs de propriétés matérielles aussi proches que possible de la réalité, nous avonsdéveloppé une nouvelle méthode basée sur les développements asymptotiques, du typehomogénéisation périodique, pour prédire les modules d’élasticité effective de l’os corticaldu tissu hétérogène. / This work provides some contributions to the mechanical characterization of corticalbone by using ultrasound. Thus, the wave propagation phenomena involved during themeasurements by the ultrasound axial transmission techniques at the the central frequencyof 1 MHz are modeled. The finite element method was used to solve the equations ofwaves propagating in bone tissues whose the behavior is assumed to be (visco)elastic,anisotropic and/or heterogeneous. The analysis of simulation results allows us to discusson the influence of various parameters (not only in terms of material properties butalso geometric features), on the nature of waves that propagates through the tissue. Wewere able to analyze the impact of these parameters on the velocity of the first arrivingsignal which is known as an appropriate index to measure the quality of bone tissue.Another aspect in characterizing the bone tissue has also been considered in which wehave developed a new method based on asymptotic expansions, periodic homogenizationtype, for predicting effective properties of elasticity of heterogeneous cortical bone tissue.

Cette thèse se concentre sur la caractérisation ultrasonore de l’interphase os-implant. Cette région est une zone de transition où a lieu le processus d’ostéointégration (i.e. le processus de guérison du tissu entourant l’implant). Donc, cette interphase a un rôle crucial dans l’ancrage à long-terme de l’implant, puisqu’elle dépend de la quantité ainsi que la qualité du tissu osseux environnant. Ensuite, en plus d’être un milieu complexe en remodelage continu, l’os néoformé présente une nature multi échelle et qui évolue dans le temps. Toutes ces motivations rendent la caractérisation de l’interphase os-implant critique et difficile. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont largement utilisées aujourd’hui dans le domaine clinique pour leur capacité de donner des informations sur les propriétés biomécaniques du tissu osseux. Compte tenu de ces éléments, dans le but de caractériser les propriétés mécaniques et microstructurales de l’interphase os-implant à travers des méthodes ultrasonores, il est important de développer et valider des modèles mécaniques ainsi que de méthodes de traitement du signal. A cause de la complexité du problème, afin de décrire avec précision le tissu environnant à l’implant, il est d’abord essentiel une modélisation fiable du tissu osseux. Pour cela, on étudie l’interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux, en considérant aussi les effets dues à la microstructure. Pour ce faire, un modèle continu généralisé a été utilisé. Dans ce contexte, un test de transmission/réflexion réalisé sur un échantillon poroélastique immergé dans un fluide a renforcé la fiabilité du modèle. Les champs de pression réfléchi et transmis sont influencés par les paramètres de la microstructure. De plus, les résultats issus de l’analyse de dispersion sont en accord avec ceux observés dans les expériences pour les échantillons poroélastiques. Après, le problème a été compliqué en considérant une interphase qui se situe entre l’os et l’implant. Ainsi, on peut gérer la complexité ajoutée par la présence du tissu néoformé. Comme on l’a déjà mentionné, une difficulté additionnelle est représentée par le fait que l’interphase est un milieu hétérogène, un mélange de phases solides et fluides dont les propriétés évoluent avec le temps. Donc, afin de modéliser l’interaction des ondes ultrasonores avec une interphase, on a considéré dans le modèle une couche très fine avec des propriétés élastiques et inertielles. En partant de ça, on a étudié les effets des propriétés de réflexion d’une transition entre un milieu homogène et un milieu microstructuré. De même, il a aussi été étudié la caractérisation du milieu via des techniques avances de traitement du signal. En particulier, la réponse dynamique due à l’excitation ultrasonore du système os-implant a été analysée à travers une approche multifractale. Une première analyse basée sur les coefficients des ondelettes a montré une signature multifractale pour les signaux dérivants des simulations et aussi des expériences. Ensuite, une étude de sensibilité a aussi montré que la variation des paramètres tels que la fréquence centrale et la densité de l’os trabéculaire ne contribue pas à un changement dans la réponse. L’originalité réside dans le fait qu’il s’agit d’un des premiers efforts d’exploiter l’approche multifractale dans la propagation ultrasonore dans un milieu hétérogène / This thesis focus on the ultrasonic characterization of bone-implant interphase. This region is a transition zone where the osteointegration process (i.e. the healing process of the tissues surrounding the implant) takes place. Thus, this interphase is of crucial importance in the long-term anchorage of the implant, since it depends on the quantity and quality of the surrounding bone tissue. However, other than being a complex medium in constant remodeling, the newly formed bone presents a multiscale and time evolving nature. All these reasons make the characterization of the bone-implant interphase critical and difficult. In this context, ultrasound methods are nowadays widely used in the clinic field because of their ability to give information about the biomechanical properties of bone tissue. On this basis, with the aim of characterizing the mechanical and microstructural properties of the bone-implant interphase by ultrasound methods, it is important to develop and validate mechanical models and signal processing methods. Due to the complexity of the problem, in order to precisely describe the bone tissue surrounding the implant, first an accurate modelling of bone tissue is essential. Thus, the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue has been investigated by also taking into account the effects dues to the microstructure. To do this, a generalized continuum modelling has been used. In this context, a transmission/reflection test performed on a poroelastic sample dipped in a fluid enhanced the reliability of the model. The reflected and transmitted pressure fields result to be affected by the microstructure parameters and the results coming from the dispersion analysis are in agreement with those observed in experiments for poroelastic specimens. Then, the problem has been complicated by considering the interphase taking place between the bone and the implant. In this way, we could handle the complexity added by the presence of the newly formed tissue. As already said, the fact that this interphase is a heterogeneous medium, a mixture of both solid and fluid phases whose properties evolve with time is an additional difficulty. Thus, in order to model the interaction of ultrasonic waves with this interphase, a thin layer with elastic and inertial properties has been considered in the model. The effects on the reflection properties of a transition between a homogeneous and a microstructured continuum have been investigated.Therefore, the characterization of the medium also via advanced signal processing techniques is investigated. In particular, the dynamic response due to the ultrasonic excitation of the bone-implant system is analyzed through the multifractal approach. A first analysis based on the wavelet coefficients pointed out a multifractal signature for the signals from both simulations and experiences. Then, a sensitivity study has also shown that the variation of parameters such as central frequency and trabecular bone density does not lead to a change in the response. The originality lies in the fact that it is one of the early efforts to exploit the multifractal approach in the ultrasonic propagation inside a heterogeneous medium

Nous modelisons les processus de glissement instable, en tenant compte de la geometrie souvent complexe des systemes de failles et des lois de frottement observees en laboratoire. Nous assimilons les failles a des interfaces de discontinuite dans un milieu elastique parfait, la croute, et utilisons une loi de frottement dependant du glissement deduite d'experiences qui montrent que la resistance du materiau diminue du seuil statique au seuil dynamique, proportionnellement au glissement. <br /><br />Nous proposons deux methodes numeriques. La premiere a pour but de simuler l'evolution temporelle spontanee d'un reseau de faille, soumis initialement a un champ de contraintes donne et auquel nous appliquons une perturbation initiale en vitesse. Elle utilise un schema de type Newmark en temps, et une discretisation spatiale en elements finis avec decomposition de domaine. Elle se revele capable de capturer efficacement les instabilites du glissement, et en particulier la phase d'initiation, qui precede la propagation de la rupture dynamique et qui se caracterise par une forme auto-similaire et une croissance exponentielle du glissement au cours du temps. Des experiences numeriques montrent que l'interaction, sur des segments de faille presentant un recouvrement significatif, se manifeste par l'existence de « zones d'ombre » dans lesquelles les contraintes sont dechargees et le glissement inhibe. En cas de recouvrement important de deux segments de faille, on observe une dissymetrie des profils de glissement, correspondant a la disparition de la singularite de contraintes a l'une des pointes de faille.<br /><br />Le deuxieme schema numerique realise l'analyse spectrale non lineaire du probleme de l'initiation « pseudo-linearise » autour de la position d'équilibre dans laquelle le système de failles est initialement au seuil de resistance statique. La non-linearite du probleme provient de la prise en compte des zones d'ombre dont on ne connait pas la geometrie a priori. Cette analyse permet de trouver le mode qui porte la signature de l'initiation, c'est-a-dire la forme auto-similaire remarquee plus haut. La version statique de cette analyse modale fournit un critere de stabilite des reseaux de failles, c'est-a-dire la valeur limite du taux d'affaiblissement au-dela de laquelle un episode de glissement donnera lieu a un evenement sismique.<br /><br />Nous faisons l'hypothese que le mode non lineaire statique, qui caracterise un comportement en affaiblissement a la limite de la stabilite, peut etre utilise pour decrire le glissement cumule a l'echelle tectonique sur un reseau de failles normales particulier en Afar, dont nous connaissons les glissements mesures en surface. Nous montrons qu'un choix judicieux du profil d'affaiblissement « equivalent » a l'echelle tectonique permet un bon accord entre le glissement observe et le mode statique. Nous en tirons des conclusions en termes d'interaction, mais aussi de propagation et/ou branchement des segments de failles. Enfin, nous decrivons deux autres applications : <br /><br />1) l'influence de la fracturation secondaire (endommagement) sur la forme du glissement<br />2) les parametres geometriques favorables a l'apparition d'une zone de relai entre deux segments de faille se propageant l'un vers l'autre.

La conception des bâtiments selon le code sismique européen ne prend pas en compte les effets de l'interaction sol-structure (ISS). L'objectif de cette recherche est de proposer une technique de modélisation pour prendre en compte l’ISS et l'interaction structure-sol-structure (ISSS). L'approche de propagation unidirectionnelle d’une onde à trois composantes (1D-3C) est adoptée pour résoudre la réponse dynamique du sol. La technique de modélisation de propagation unidirectionnelle d'une onde à trois composantes est étendue pour des analyses d'ISS et ISSS. Un sol tridimensionnel (3D) est modélisé jusqu'à une profondeur fixée, où la réponse du sol est influencée par l’ISS et l’ISSS, et un modèle de sol 1-D est adopté pour les couches de sol plus profondes, jusqu'à l'interface sol-substrat. Le profil de sol en T est assemblé avec une ou plusieurs structures 3-D de type poteaux-poutres, à l’aide d’un modèle par éléments finis, pour prendre en compte, respectivement, l’ISS et l’ISSS dans la conception de bâtiments. La technique de modélisation 1DT-3C proposée est utilisée pour étudier les effets d’ISS et analyser l'influence d'un bâtiment proche (l'analyse d’ISSS), dans la réponse sismique des structures poteaux-poutres. Une analyse paramétrique de la réponse sismique des bâtiments en béton armé est développée et discutée pour identifier les paramètres clé du phénomène d’ISS, influençant la réponse structurelle, à introduire dans la conception de bâtiments résistants aux séismes. La variation de l'accélération maximale en haut du bâtiment avec le rapport de fréquence bâtiment / sol est tracée pour plusieurs bâtiments, chargés par un mouvement à bande étroite, excitant leur fréquence fondamentale. Dans le cas de sols et de structures à comportement linéaire, une tendance similaire est obtenue pour différents bâtiments. Cela suggère l'introduction d'un coefficient correcteur du spectre de réponse de dimensionnement pour prendre en compte l’ISS. L'analyse paramétrique est répétée en introduisant l'effet de la non-linéarité du sol et du béton armé. La réponse sismique d'un bâtiment en béton armé est estimée en tenant compte de l'effet d'un bâtiment voisin, pour un sol et des structures à comportement linéaire, dans les deux cas de charge sismique à bande étroite excitant la fréquence fondamentale du bâtiment cible et du bâtiment voisin. Cette approche permet une analyse efficace de l'interaction structure-sol-structure pour la pratique de l'ingénierie afin d'inspirer la conception d'outils pour la réduction du risque sismique et l'organisation urbaine. / Building design according to European seismic code does not consider the effects of soil-structure interaction (SSI). The objective of this research is to propose a modeling technique for SSI and Structure-Soil-Structure Interaction (SSSI) analysis. The one-directional three-component (1D-3C) wave propagation approach is adopted to solve the dynamic soil response. The one-directional three-component wave propagation model is extended for SSI and SSSI analysis. A three-dimensional (3-D) soil is modeled until a fixed depth, where the soil response is influenced by SSI and SSSI, and a 1-D soil model is adopted for deeper soil layers until the soil-bedrock interface. The T-soil profile is assembled with one or more 3-D frame structures, in a finite element scheme, to consider, respectively, SSI and SSSI in building design. The proposed 1DT-3C modeling technique is used to investigate SSI effects and to analyze the influence of a nearby building (SSSI analysis), in the seismic response of frame structures. A parametric analysis of the seismic response of reinforced concrete (RC) buildings is developed and discussed to identify the key parameters of SSI phenomenon, influencing the structural response, to be introduced in earthquake resistant building design. The variation of peak acceleration at the building top with the building to soil frequency ratio is plotted for several buildings, loaded by a narrow-band motion exciting their fundamental frequency. In the case of linear behaving soil and structure, a similar trend is obtained for different buildings. This suggests the introduction of a corrective coefficient of the design response spectrum to take into account SSI. The parametric analysis is repeated introducing the effect of nonlinear behaving soil and RC. The seismic response of a RC building is estimated taking into account the effect of a nearby building, for linear behaving soil and structures, in both cases of narrow-band seismic loading exciting the fundamental frequency of the target and nearby building. This approach allows an easy analysis of structure-soil-structure interaction for engineering practice to inspire the design of seismic risk mitigation tools and urban organization.

Dans ce manuscrit, je présente différents problèmes faisant intervenir des interfaces déformables. Ces interfaces peuvent être liquides (gouttes, jets, bulles) mais aussi solides (membrane, contact entre grains élastiques). Je présente d'abord le cadre des problèmes abordés depuis la fin de ma thèse, puis je me concentrerai sur quelques exemples. Je décris d'abord les expériences de mouillage réalisées au LPMC, certaines dans la continuité de mon travail de thèse. Il s'agit de la dynamique de gouttes et de jets sur des surfaces hydrophobes. Je montre par exemple que des vibrations couplées peuvent conduire à un déplacement net d'une goutte déposée sur une surface à vitesse contrôlée. Je montre ensuite comment contrôler le rebond d'un jet sur une surface suffisamment hydrophobe. Dans une deuxième partie, j'aborde des problèmes de biophysique végétale que j'ai d'abord étudiés en Post-doc à Harvard University, département OEB, puis au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée à Nice. Il s'agit de phénomènes de transport d'eau dans des feuilles artificielles et de mouvement rapides chez les plantes qui font de nouveaux intervenir le mouillage de gouttes, mais aussi des bulles de cavitation et des objets élastiques. J'aborde finalement les travaux réalisés sur la propagation d'ondes dans des milieux granulaires par photoélasticité, objet de la thèse de Guillaume Huillard. Enfin je présente les perspectives de ces différents travaux.